Простейший расчет бани - сауны

С целью дальнейшего выбора технических решений по конструкции здания и печи приведем для ориентировки результаты оценочных расчетов параметров предельно большой для рядового садовода бани (с совмещенными помещениями для парения и мойки) длиной 4,0 м, шириной 2,5 м, высотой 3,0 м. Площадь бани при этом составляет 10 квадратных метров, объем 30 кубических метров, площадь ограждающих конструкций (стен, потолка и пола) — 60 квадратных метров. Предположим, что топим баню зимой при температуре наружного воздуха минус 20°С, температуру в бане доводим до 100°С, то есть климатические параметры закладываем предельно жесткие, но вполне реальные для современных саун. Что же надо предусмотреть, чтобы такая баня у вас на участке была работоспособной? И к тому же не просто работоспособной, а быстро прогреваемой, экономной и дешевой.

Прежде всего оценим уровень теплопотерь наружу на улицу через ограждающие конструкции в стационарном режиме полностью протопленной бани, то есть в том гипотетическом случае, если баня длительно изо дня в день поддерживается при температуре внутренних поверхностей стен, пола и потолка 100°С (как, например, жилой дом, правда при иной температуре). Результаты расчета для типичных материалов ограждающих конструкций выглядят следующим образом:

• брус толщиной 150 мм — 6 кВт,
• утеплитель 40 мм плюс вагонка 20 мм — 6 кВт,
• утеплитель 40 мм плюс лист стальной 0,7 мм — 7 кВт,
• кирпич 500 мм плюс вагонка 20 мм — 6 кВт.

Под утеплителем мы понимаем минеральную вату (стекловату, шлаковату, базальтовую вату), войлок, древесноволокнистые плиты мягкие, пенопласт, имеющие близкие коэффициенты теплопроводности. При этом подразумеваем, что утеплитель уложен изнутри по стенам, изготовленным из любого материала (брус, кирпич, сталь, доски и т. п.). Видно, что дешевая легкая стена с утеплителем обеспечивает те же теплосохраняющие характеристики, что и массивные стены из дорогих материалов. Уровень теплопотерь 6 кВт весьма велик. Например, обычные кирпичные печи имеют теплоотдачу в помещение от 4 кВт до 6 кВт (хотя мощность тепловыделения от горящих дров может достигать сотен кВт), то есть для поддержания высокой температуры в бане требуются кирпичные монстры типа известной банной печи Суздальцева мощностью 6 кВт, массой 2500 кг, продолжительность топки которой составляет 12 часов при потреблении дров 14 кг в час. Ясно, что любые кирпичные печи для нашей садовой бани не годятся вообще из-за низкой мощности теплоотдачи с внешних поверхностей (хотя, повторяем, во время протопки в топливнике выделяются мощности значительно большие). Кроме того, подчеркнем, что для нагрева воздуха до 100°С температура стенок печи должна быть больше 100°С, причем намного больше. А кирпичные печи снаружи прогреваются по строительным нормам и правилам лишь до 90°С, максимум до 120°С. Следовательно, за основу мы должны принять концепцию современной финской сауны, то есть бани с металлической печью.

В то же время кирпичные печи очень хорошо подходят для постоянного обогрева жилых помещений и именно о них идет в первую очередь речь, когда говорят о печном отоплении зданий (например, в строительных нормах и правилах). Действительно, для вышеприведенных ограждающих конструкций поддержание температуры в помещении порядка 20°С при температуре снаружи минус 20°С требует теплоотдачи печи на уровне 2 кВт, что вполне достижимо даже при применении маленьких кирпичных печей. Именно поэтому такие толщины стен являются наиболее характерными для современных российских условий и отвечают значениям приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций порядка R₀ = 1 м²•град/Вт. Отметим, что с 1.09.95 г. Постановлением Минстроя РФ № 18-81 от 11.08.95 г. было внесено изменение № 3 в СНиП II-3-79, повышающее нормативное значение сопротивления теплопередаче с 0,9 до европейского уровня 3,15 м²•град/Вт для жилых домов. При этом кирпичные печи в жилых помещениях хороши тем, что во время короткой протопки в течение 1—2 часов путем сжигания 5—40 кг дров в час внутри печи развиваются такие высокие тепловые мощности 10—150 кВт, что нагретая за их счет кирпичная кладка еще долго в течение суток выделяет тепло в помещение с мощностью до 1—6 кВт. Последние цифры называются обычно мощностью теплоотдачи кирпичной печи. Теплоотдача металлических же печей принимается равной мощности тепловыделения внутри печи и обычно составляет 5—50 кВт.

Но нам не надо держать высокую температуру в бане сутками, нам надо быстро баню нагреть (протопить), а потом пусть она относительно быстро охладится. В таком случае нам подойдут металлические печи, которые все тепло, выделяющееся от сжигания дров, тотчас выделяют в воздух, а не в кирпичную кладку печи. При этом для быстрого нагрева бани важно не только значение сопротивления теплопередачи стен R₀ = δ/λ (где δ — толщина стен, λ — теплопроводность материала стен), но и теплоемкость материала стен Cp. Оценим, сколько тепла надо, чтобы протопить холодную баню (вернее ограждающие конструкции) от минус 20°С до 100°С (у потолка):

• брус толщиной 150 мм — 120 кВт.час,
• утеплитель 40 мм — 1 кВт.час,
• утеплитель 40 мм плюс лист стальной 0,7 мм — 3,5 кВт.час,
• утеплитель 40 мм плюс вагонка 20 мм — 30 кВт.час,
• утеплитель 40 мм плюс вагонка 10 мм — 15 кВт.час,
• кирпич 500 мм плюс вагонка 20 мм — 440 кВт.час.

Цифры очень высокие. Чтобы протопить холодную баню из кирпича до рабочей температуры необходимо истратить столько же тепла (и дров соответственно), сколько его хватило бы на поддержание тепла в уже прогретой бане в течение 3 суток. Чтобы прогреть каменную баню самой мощной кирпичной печью надо также более трех суток.

Вышеприведенные расчеты свидетельствуют о том, что не только кирпичные печи, но и кирпичные бани (даже обшитые вагонкой) нам совершенно не пригодны. Не подходят даже бревенчатые бани (брусчатые): их в обязательном порядке (так же как и каменные бани) надо утеплять изнутри эффективными утеплителями типа минеральной ваты. Без утеплителя бревенчатую баню нам придется топить даже металлической печью несколько часов (даже если бревна в бане очень толстые). Более того, даже вагонка в качестве внутреннего обшивочного материала, прикрывающая утеплитель, не вполне подходит, слишком теплоемка: действительно, переход от «советской» вагонки толщиной 20 мм к «евровагонке» толщиной 10 мм приводит к сокращению времени нагрева вдвое. Поэтому современные экологически чистые термостойкие и малотеплоемкие пластмассы в виде высококачественного декоративного листового материала с толщиной 1—2 мм в комбинации с эффективными утеплителями несомненно сделали бы революцию в банном деле. Пока наиболее удовлетворительными характеристиками обладает обшивка утеплитель — сталь, широко применяемая в промышленно-складском строительстве в виде панелей типа «сэндвич», но для высокотемпературных бань она не совсем подходит: «обжигает» при соприкосновении, необходимы ограждения.

Остановимся, по случаю, на эффекте «обжигания» металлической поверхностью. С первого взгляда это удивительно, поскольку в быту считается, что металл — материал холодный, как говорят, «холодит». Доходит до того, что многие уверены, что если теплый деревянный пол застелить листовым металлом (или линолеумом), то дом сразу станет холодней. Конечно, это не так. Металлическая поверхность имеет ту же температуру, что и пол в помещении. А рука (или нога) чувствует не температуру пола, а температуру своей кожи. Если приложить руку к металлической поверхности, то металл начинает интенсивно отводить тепло с кожи, если температура металла ниже температуры кожи, и, наоборот, интенсивно нагревать кожу, если температура металла выше температуры кожи. Это вызвано тем, что металлы имеют очень большой коэффициент теплопроводности, то есть очень сильно подводят или отводят тепло вглубь металла и по поверхности металлического листа в стороны. А так как для кожи температура ниже 15°С уже представляется как лютый холод, а температура выше 55°С — как обжигающий жар, то металл с температурой ниже 15°С воспринимается как ледяной, а с температурой выше 55°С как раскаленный. Но само наличие металла в помещении не приводит ни к снижению, ни к повышению температуры в помещении. Чтобы убедиться, что рука чувствует температуру кожи, а не температуру окружающей среды, достаточно (даже на очень сильном морозе) приложить руку к листу холодного пенопласта (или еще лучше погрузить руку в сухой перлитовый песок) — вы сразу почувствуете, что пенопласт (даже с температурой минус 30°С) очень «теплый». Это происходит потому, что пенопласт очень плохо проводит тепло (имеет низкий коэффициент теплопроводности), поэтому не может отвести тепло с ладони, и кожа ладони начинает нагреваться изнутри от тела (потоками крови по кровеносным сосудам) от своей обычной температуры 22—26°С до 36°С, что воспринимается как явное тепло. Свойство эффективного отвода тепла листовым металлом в стороны широко используется. В частности, перед дверцей печи на полу всегда настилается лист стали: если из печки упадет головешка, то тепло от нее сразу распределится по всей площади листа и не сможет привести к воспламенению находящегося под листом деревянного пола (а воспламенение дерева всегда происходит в какой-нибудь одной точке, и если теплоотвод из этой точки велик, то воспламенение затрудняется). Металлические листы используются также для отвода тепла из труднодоступных (в том числе и для воздуха) мест, например, из зон примыкания кладки печей и труб к деревянным конструкциям.

Но вернемся к результатам расчета. Ясно, что для нашей бани подходят только варианты с утеплителем и обшивкой тонким слоем дерева или металла, и при этом необходимо рассчитывать на минимальную мощность металлической печи где-то в районе 15—20 кВт для того, чтобы нагреть внутренние поверхности стен помещения до заданной температуры за 1 час. Но ведь нам надо нагреть и саму печь и воду для мытья. Оценим, сколько для этого нам надо добавочного тепла:

• кирпичная печь, 300 штук кирпича, масса 1000 кг до 400°С внутри, до 50°С снаружи — 50 кВт.час
• металлическая печь 25 кг, до 400°С — 1,5 кВт.час
• металлическая печь 25 кг плюс каменная засыпка 100 кг, до 400°С — 8 кВт.час
• воздух в бане 40 кг до 100°С — 1,4 кВт.час
• 10 литров воды до 100°С — 1,2 кВт.час
• 200 литров воды до 40°С — 9 кВт.час.

Видно, что кирпичная печь слишком теплоемкая: фактически она не в состоянии нагреть ни баню (что мы отмечали и выше), ни саму себя: при мощности тепловыделения от горящих дров 15—20 кВт (по пламени) на ее прогрев (протопку) понадобится около 3 часов (что слишком много), и только после этого она сможет начать нагрев бани. С другой стороны, кирпичная печь, запасая при протопке 50 кВт час тепла, охладится не ранее, чем через 10 часов, то есть и на следующий день будет еще теплой. Нам это не нужно, это просто растранжиривание дров: баня высохнет и за 2 часа от тепла 15 кВт.час, запасенного стенами (если к тому же предотвратить излишнее намокание полов). То же самое относится и к каменной засыпке — тоже нужно много энергии на ее нагрев. Но оставим этот вопрос на решение любителя бани: если кто хочет париться путем «поддачи», пусть на полчаса дольше топит печь, только и всего.

Что же касается воды, то достаточное количество кипятка на мойку в шайке составляет 10 литров (одно ведро) на одного моющегося, что требует затраты небольшого количества энергии порядка 1,2 кВт.час — это эквивалентно работе стандартного электрокипятильника или электроплитки мощностью 1,3 кВт (6 ампер, 220 в) в течение 1 часа (при этом ведро желательно теплоизолировать). Нагрев воды для ванны (200 литров при температуре 40°С) потребует в 7—8 раз большей энергии.

Суммируя вышеприведенные соображения, приведем значения минимальных энергозатрат для «запуска» бани с температурой 100°С с утепленными и обшитыми евровагонкой стенами, с металлической печью без каменки и объемом нагреваемой воды 20 литров (на двух человек) при различных температурах снаружи:

Температура снаружи минус 20° С 0°С плюс 20°С
Энергозатраты в кВт.час на нагрев ограждающих конструкций с утеплителем и обшивкой 15,0 12,5 10,0
металлической печи 1,5 1,25 1,0
воздуха 40 кг 1,4 1,2 1,0
воды 20 литров 2,4 2,4 2,4
Суммарные для всей бани 20,3 17,4 14,4
Необходимое количество дров, кг 10,7 9,2 7,6

Таким образом, чтобы натопить баню зимой за 1 час действительно требуется металлическая печь мощностью порядка 20 кВт. В таблице приведены также данные о необходимом количестве сухих дров калорийностью 3300 ккал/кг (3,8 кВт час/кг) по ГОСТ 12.1.004-91 для обеспечения суммарных энергозатрат на нагрев бани при коэффициенте полезного действия печи 50%. Тепловая мощность печи при этом составляет 1,9 М (кВт час/кг) при расходе дров М (кг/час).

Что еще следует из таблицы? Во-первых, такие уровни энергоподачи с помощью электропечей доступной для садоводов мощности реализовать невозможно. Что касается дровяных печей, то цифры вполне доступные для любой крупной «буржуйки», которая легко может сжечь десяток килограммов дров в час и натопить за 1 час рассмотренную нами баню предельных размеров до температур порядка 100°С. Для примера приведем параметры дровяных печей для саун финских фирм «Кастор» и «Харвия». Реально эти печи могут дать мощность в два раза большую при временном перегреве стенок. Интересно отметить, что рекомендуемые фирмой объемы саун и мощности печей близки к нашим расчетным данным.

Технические характеристики банных дровяных печей фирмы «Харвия» (X) и фирмы «Кастор» (К)

Серия Рекомендуемый объем сауны, м³ Размеры печи в (ВхШхГ), мм Диаметр дымохода, мм Мощность, кВт Вес печи без камней, кг Вес камней, кг
Х16 6-16 730x430x510 115 16 45 35-40
Х20 8-20 760x430x510 115 18 60 40-45
Х26 10-26 810x430x510 115 22 65 55-60
Х36 14-36 810x510x510 115 30 80 60-65
К007 3-7 600x330x430 104 7 32 25-30
К10 5-10 660x410x500 104 10 48 40-45
К20 8-20 780x480x500 104 18 62 60-65
К27 17-27 920x480x500 129 20 72 65-70
КЗ7 25-37 915x520x580 129 30 118 75-80

Подчеркиваем, что нашей задачей является определение необходимой мощности печей, а не реклама продукции каких-либо фирм. Кстати, все эти печи для гигиенических бань неудобны.

Во-вторых, удивительно все-таки как много тепла идет на нагрев воздуха. Мы привели результат расчета без воздухообмена, но он необходим и даже неизбежен в бане. Так вот, если воздухообмен в бане составляет 6 крат (т.е. в течение часа воздух 6 раз заменится свежим с улицы), то теплопотери на нагрев воздуха превысят теплопотери через стены бани. Так что надо по возможности реже открывать двери.

В-третьих, неожиданным результатом является слабая зависимость энергозатрат от внешней температуры. Казалось бы, зима и минус 20°С сильно отличаются от лета и плюс 20°С; однако для того, чтобы протапливать баню в лютый мороз надо лишь в полтора раза больше дров, нежели теплым летом. Объясняется это тем, что мы приняли температуру в бане очень высокую — 100°С. Ну а как таблица будет выглядеть при температурах бани 40°С?

Температура снаружи минус 20°С 0°С плюс 20° С
Энергозатраты в кВт.час на нагрев ограждающих конструкций с утеплителем и обшивкой 7,5 5,0 2,5
металлической печи 0,75 0,50 0,25
воздуха 40 кг 0,7 0,46 0,23
воды 20 литров 2,4 2,4 2,4
Суммарные для всей бани 11,4 8,36 5,38
Необходимое количество дров, кг 6,0 4,4 2,8

Здесь уже разница между летом и зимой составляет два раза, а без учета нагрева воды в три раза. Аналогично, сравнивая две последние таблицы результатов расчетов, видим, что летом, чтобы натопить баню до 40°С, требуется в три раза меньше дров, нежели чтобы натопить до 100°С, а без учета воды (которую можно нагреть на газу или электрокипятильником) в четыре раза. Невольно задумаешься, какая баня больше подходит садоводу: «турецкая» при 40°С или «финская» при 100°С? Ведь чтобы попариться летом «по-турецки» надо истратить всего лишь около 3 кг дров, причем баня будет готова через 15—20 минут. Впрочем, при 40°С что баня, что душ — в принципе одно и то же, данные таблицы для бани в этом случае соответствуют душу (без учета затрат на нагрев воды). Поэтому среди садоводов так широко распространены душевые дровяные водонагревные колонки, которые зимой, к сожалению, абсолютно неработоспособны.

Говоря о том, что в бане воздух и стены нагреваются, например, до 100°С, мы должны отчетливо понимать, что где-то должны развиваться гораздо более высокие температуры, так как нагрев идет от более горячих к более холодным объектам. Если кирпичная печь снаружи нагрета до 90°С, то воздух до 100°С она никак не нагреет, да и до 90°С не нагреет тоже, от силы до 80°С. Давайте посмотрим, как формируется температура в бане, и какие при этом возникают тепловые потоки, нагревающие стены, воздух и воду.

Передача тепла в природе может осуществляться кондуктивно, конвективно и световым излучением.

Воздух, как и все газы, имеет очень низкий коэффициент теплопроводности, то есть кондуктивно (за счет встречного движения молекул, а не масс газа) не пропускает тепло, является теплоизолятором, утеплителем. Если бы воздух не двигался, то нагреть баню печкой нам удалось разве что инфракрасным излучением. Теплоизолирующие свойства воздуха используют в оконных рамах. Утеплители типа минеральной ваты (минваты) тоже фактически являются воздухом, но помещенным в сетку волокон, которые тормозят перемещение воздуха.

Однако воздух, как и все газы, нагреваясь, расширяется, становится легче и начинает, если имеется возможность, перемещаться вверх, унося с собой тепло, которое вызвало его расширение. Такой унос тепла называется конвективным (конвекцией называется движение газа), в отличие от кондуктивного, который мы имели в виду в предыдущем абзаце. В твердых материалах, таких, как например кирпич или древесина, внутренние перемещения массы невозможны, и перенос тепла является полностью кондуктивным.

Перенос тепла конвективными потоками весьма велик (ввиду высокой теплоемкости воздуха и больших расстояний его быстрого перемещения из горячих зон в удаленные холодные). Для теплопередачи от печи в помещение он равен, ориентировочно, произведению разности температур (печи и воздуха) на коэффициент теплопередачи порядка 0,01 кВт/м²•град.:

Разность температур печи и воздуха,С° 100 200 300 400 500 600 700 800
Теплопередача от печи в воздух конвективная, кВт/м² 1 2 3 4 5 6 7 8

Горячий воздух стремится вверх к потолку, нагревая его, затем охлаждаясь на стенах, спускается к полу и затем, вновь нагреваясь на стенах печи, вновь поднимается к потолку, замыкая циркуляционную линию. Циркуляция воздуха порой определяет всю климатическую картину в бане.

Таким образом, хотя печь находится внизу (установлена на полу), противоположные стены нагреваются сверху вниз нисходящим потоком горячего воздуха. Если установить у противоположной стены полок, то нагрев стены под полком будет затруднен, но сам полок будет нагреваться сильно, если он смонтирован вплотную к стене. Если между печью и потолком расположить горизонтальные экраны (например, металлические подвесные потолки), то нагрев основного вышележащего потолка будет затруднен. Влияя на траекторию циркуляционных воздушных потоков, можно изменять тепловые нагрузки на те или иные элементы бани. Отметим попутно, что если на стенках печи установить горизонтальные ребра (полки), затрудняющие движение воздуха, то они будут играть роль теплоизоляции и тем более эффективно, чем чаще эти ребра будут установлены и чем эти ребра будут выше выступать над поверхностью стенок. Это фактически модель меха кошки, который не допускает потоков воздуха к коже животного. Если установить на стенках печи вертикальные ребра (радиаторы), то они увеличат теплоотдачу печи, но если их расположить очень близко друг к другу (например, с зазором менее 1 мм), то сопротивление зазора движению воздуха будет значительным, и теплоотдача от печи резко уменьшится. И, наконец, если печь утыкать очень часто приваренными (перпендикулярно боковой поверхности печи) стержнями-иголками так, что движение газа между иголками будет затруднено газодинамическим сопротивлением, то эти иголки будут играть роль теплоизоляции и полностью имитировать мех кошки. И, наконец, если на некотором расстоянии от поверхности печи установить вертикальный металлический экран, параллельный поверхности печи, то при большом зазоре он не будет влиять на теплоотдачу печи (но будет играть положительную роль как устройство, «засасывающее» холодный воздух с пола). Но если зазор уменьшить до 1 мм, то он будет играть роль теплоизоляции, так как сопротивление движению воздуха в нем будет велико, и воздух практически не будет двигаться, а неподвижный воздух является теплоизолятором. Заметим, что на практике эти часто расположенные экраны для обеспечения теплоизоляции (если она нужна) технически выполняются в виде минеральной ваты (металлической, стеклянной, шлаковой), смятой фольги (при низких температурах — мятой бумаги), вспененных пластмасс, вспученных минералов типа вермикулита и перлита и т. д.)

Третий механизм передачи тепла — световыми лучами, обычным излучением от нагретой поверхности, называемый тепловым излучением, лучистым теплопереносом или радиационной составляющей теплового потока. Увеличение температуры нагретой поверхности ведет к сдвигу максимума излучения в видимую область. При низкой температуре поверхности световое излучение находится в инфракрасной области и невидимо, но при температурах выше 600°С оно воспринимается глазом в желто-красном цвете:

• темно-коричневый (заметен в темноте) — 500°С,
• коричнево-красный — 600°С
• темно-красный — 700°С,
• вишнево-алый — 800°С
• красный — 900°С,
• оранжевый — 1000°С,
• темно-желтый — 1100°С,
• светло-желтый — 1200°С,
• ослепительно белый — 1300°С и выше.

Мощность светового излучения определяется целиком температурой поверхности (например, печи) и для абсолютно черной поверхности равна:

Температура печи, °С 100 200 300 400 500 600 700 800
Теплопередача радиационная, кВт/м² 1 3 7 13 22 36 55 81

Отметим попутно, что интенсивность солнечного излучения на плоскость, ориентированную строго на Солнце у поверхности Земли, равна 1,4 кВт/м² (вне атмосферы и зимой, и летом). Это очень большая величина. Так, зимой на ваш садовый участок в 6 соток в солнечный день даже с учетом сильного поглощения излучения земной атмосферой поступает до 200 кВт солнечной энергии (260 лошадиных сил!). Если бы люди умели дешевыми способами переводить энергию солнечного излучения в другие высокотемпературные виды энергии, то садоводам, видимо, не нужны были бы печки в бане даже зимой. Подчеркнем, что такой уровень солнечного излучения обеспечивает не просто нагрев тела человека на пляже, но и нагрев всей поверхности планеты целиком.

Но вернемся к таблице. Видно, что мощность излучения очень быстро растет с температурой и уже при 100°С начинает превосходить величину конвективной теплопередачи. Все знают, как горячо стоять у раскаленной печки или у сильно разгоревшегося костра. Световое излучение практически не поглощается воздухом и не разогревает его, излучение распространяется прямолинейно и поступает непосредственно на стены, пол и потолок, разогревая их. Казалось бы, что это очень удобный вид нагрева. Но в быту, в том числе и в банном деле, световые источники излучения большой мощности считаются нежелательными по климатическим и противопожарным соображениям. Поэтому металлическую печь обычно загораживают металлическими экранами, которые, нагреваясь от излучения, тотчас отдают энергию воздуху через конвективный теплообмен. Таким образом, экраны могут полностью изменить конвективную и радиационную обстановку в бане. Более того, печь можно вынести вообще за пределы бани и, закрыв ее экранами (и другими видами теплоизоляции), направить тепло в баню в виде горячего воздуха с помощью вентиляторов или естественной конвекцией. Этот принцип называется воздушным отоплением, он широко используется в современном промышленном и гражданском строительстве. Использовался он и в банях даже в глубокой древности в Риме в парилках сухого жара. Но для садовода воздушное отопление бань чересчур непривычная идея, хотя электрические воздушные завесы и тепловые пушки все больше и больше входят в загородный быт дачников и садоводов.

Остановимся вкратце на важном вопросе о физическом воздействии светового излучения на организм человека. Световое излучение представляет собой обычные электромагнитные волны светового диапазона (которые называют и светом, и световой радиацией, и лучами, и излучением, и волнами, и квантами, кому как нравится):

• радиоволны в диапазоне волн от 10⁻³ до 10⁻⁴ метра (длинные, средние, короткие, УКВ, СВЧ),
• световые волны с длинами волн от 10⁻⁴4 до 10⁻9 метров,
• рентгеновское излучение и гамма-излучение с длинами волн от 10⁻9 до 10⁻¹⁴ метров.

Световое, в том числе и инфракрасное, излучение является основой любых форм жизни на Земле, поскольку солнечное излучение является в основном световым. Световое излучение не опасно для человека, более того, необходимо. Оно поглощается телом человека с ощущениями и эффектами обычного тепла, например, от горячего воздуха. При высоких интенсивностях, естественно, световое излучение может вызвать перегревы, в том числе и ожоги чисто термического плана, как, например, при ядерных взрывах.

Световое излучение подразделяется на:

• инфракрасные (ПК) лучи (волны, излучение) с длиной волны более 0,8 мкм (8-10~7м),
• видимые лучи, в том числе красные 0,7—0,8 мкм, оранжевые 0,65—0,70 мкм, желтые 0,60—0,65 мкм, зеленые 0,55—0,60 мкм, голубые 0,50—0,55 мкм, синие 0,45—0,50 мкм, фиолетовые 0,40—0,45 мкм,
• ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,4 мкм.

Ультрафиолетовые лучи вызывают фотохимические процессы (загар кожи, образование озона в воздухе), они очень вредны при чрезмерных интенсивностях излучения. Видимые световые лучи являются основой зрения, причем человек для искусственного освещения испокон веков использовал осветительные приборы накаливания (факелы, лучины, свечи, газовые горелки, электрические лампочки), максимум излучения которых приходится на инфракрасные лучи, которые он глазами никак не ощущал и о существовании которых долгое время даже и не догадывался.

Так вот оказывается, что изо всех этих лучей ощутимо глубоко (на несколько сантиметров) могут проникать только лучи с длиной волны 0,7—1,5 мкм, то есть красные и ближние инфракрасные. Только они могут прогреть глубинные зоны под кожей, и так как поглощение тепла «размыто» на большой объем подкожной ткани, оно особенно и не ощущается. Все другие световые лучи (волны) поглощаются в тонком поверхностном слое кожи, где и находится основное количество терморецепторов, поэтому действие их некомфортное, похожее на ожог. Грубо говоря, излучение с длиной волны 0,7—1,5 мкм действует как СВЧ-печь, глубоко прогревая ткани, а остальное излучение — как сковородка «обжигает» кожу. Становится ясным, что именно красная составляющая солнечного излучения глубоко проникает под кожу, что является основой комфортного курортного светолечения и солнечных ванн, для которых спектральный состав солнечного излучения очень важен. Так и в бане красное излучение от ярких углей открытого горящего очага (камина) дает приятное глубинное тепло. Вместе с тем, если излучатель по цвету красный или желтый, то доля красной составляющей в нем в действительности очень мала. Красную составляющую по закону Вина дают ослепительно белые излучатели. Для ориентировки укажем, что максимум солнечного излучения приходится на 0,46 мкм (синий цвет), излучения от электрической лампочки при 2000°С —на 1—2 мкм, от оранжевых углей при 1000°С  — на 3—5 мкм, от горячей каменки и от стальной поверхности печи при 400°С — на 5—10 мкм. Таким образом, наиболее комфортное тепло дают осветители с элементами накаливания при 2000—3000°С (вольфрамовые нити, металлокерамические штифты и т. п.), то есть ослепительно белые «юпитеры» (прожекторы), освещающие сценические площадки и кинофотостудии. Пот на лице телевизионного диктора — это тот самый пот, что должен струиться в инфракрасной бане. Чем меньше в таком осветителе доли излучения с длинами волн больше, чем 1,5 мкм, тем легче он будет переноситься освещаемым субъектом. Мы не говорим про глаза (их надо защищать очками), мы говорим о глубине проникновения излучения в тело. Проверить истинность вышесказанного очень просто. Сомкните пальцы рук и загородитесь ими от яркого света обычной лампочки накаливания. Вы увидите, что промежутки между пальцами красные, то есть красный свет проходит легко через ткани (и через кости тоже), причем много света и рассеянного (направленного перпендикулярно первичному световому потоку от лампочки). Глубоко проникая под кожу, красные (а еще лучше ближние инфракрасные) лучи там рассеиваются (идут вдоль кожи) и постепенно поглощаются в большом объеме мышечной ткани, нагревая ее и интенсифицируя тем самым процессы обмена. Именно этот принцип используется в лазерной терапии — теплолечении красным когерентным светом. Прозрачность тканей для электромагнитных волн используется также в рентгенографии и рентгеноскопии (правда в другом, причем вредном, диапазоне длин волн электромагнитного излучения).

Таким образом, при желании лечебный комфортный эффект нагрева тела можно получить в бане с помощью использования обычных направленных ламп-рефлекторов накаливания типа «юпитеров», лучше со светофильтрами. Причем, это будет в сотни и тысячи раз дешевле и более эффективно, нежели использование иных импортных инфракрасных ИК-кабин (по крайней мере, японских с длинами волн 2—6 мкм, пригодных более для сушки лакокрасочных покрытий автомобилей) или аппаратов лазерной терапии. Достаточно вспомнить незаслуженно забытые примитивные синие лампы с рефлекторами. Неплохо также погреться от добела раскаленных углей дров в печи через термостойкое керамическое стекло. Убедиться в должном качестве ПК—излучателя очень просто: надо просто закрыть глаза — инфракрасное излучение 0,7—1,5 мкм проходит через закрытые веки и ощущается глазом как свет, при котором «трудно уснуть».

В быту и на рабочих местах мы сталкиваемся с инфракрасным излучением не реже, чем на открытом солнце. Интересно сопоставить реальные уровни интенсивности теплового излучения, которые может выдержать человек, с его обычным тепловым балансом. Известно, что в состоянии покоя человек выделяет в мышцах 50—70 вт тепла, при легкой физической работе — до 172 вт (нормативные данные по ГОСТ 12.1.005-76), при физической работе средней тяжести — до 293 вт, при тяжелой физической работе — свыше 293 вт. Отметим, что механическая мощность самой работы не более четверти указанных величин. За счет потоотделения человек в состоянии сбросить до 1200—1500 вт кратковременно. Официальная нормативная медицинская оценка уровня теплового облучения персонала на рабочих местах доменных, мартеновских и кузнечных производств часто достигает 14 кВт/м². Цифра громадная, без спецодежды не обойтись. Но ведь и в случае раскаленных металлических банных печей уровень теплового излучения приближается к этому уровню, спецодежду заменяют экранами, окружающими печь.

Приведем в таблице научные данные по тепловой переносимости человеком инфракрасного излучения (без учета эффектов на глаза) от поверхности металлургических печей с температурой 1000— 1800°С (то есть с малой долей красного и ближнего инфракрасного излучения).

Интенсивность инфракрасного излучения в горячих цехах сталелитейных производств, вт/м² Переносимость человеком, сек. Количество теплоты, передаваемое за время переносимости, дж
560 долго
840 до 360
1400 150-300 33,4
2100 40-60 10,5
2800 30-40 9,6
3500 10-30 7,1
7000 5-10 5,8
8750 3-8 5,2
10500 3-7 5
14000 1-5 2,5

Отметим кстати, что величина плотности лучистого потока 13,9 кВт/м² является по НПБ 105-95 критической для древесины от очагов пожара из твердых материалов, то есть при облучении таким лучистым потоком древесина может самовоспламениться. Поэтому в целях пожарной безопасности участки, содержащие древесину (дома, штабеля) располагают друг от друга на расстоянии не менее 6 метров, а в помещениях — не менее 14 м при высоте потолка 3 м.

Что еще следует из таблицы? Во-первых, даже при весьма умеренных уровнях излучения, близких к солнечной постоянной 1400 вт/м², переносимость составляет не более нескольких минут. Поэтому так жарко на пляже в солнечную погоду даже при низких по банным меркам температурах воздуха. Во-вторых, чем больше интенсивность, тем меньшую теплоту способен вынести организм, то есть, чем быстрее происходит нагрев кожи, тем сильнее проявляются действия терморецепторов. Здесь сказывается обычная реакция человека на резкие изменения параметров среды. Так, если вы сразу опустите ногу в воду с температурой 50°С, то получите ожог. Если постепенно будете нагревать воду, то ноги постепенно привыкают и температуру 50°С переносят нормально. В-третьих, указанные интенсивности излучения (даже при действии на малую площадь) значительно превышают мощности тепловыделения при физической работе. Никакое потоотделение спасти от таких уровней излучения не в состоянии.

При уменьшении температуры излучателя (вплоть до 100°С, характерных для бытовых радиаторов) переносимость инфракрасного излучения ухудшается ввиду уменьшения глубины проникновения излучения вглубь тела. Так, строительные нормы и правила СНиП 2.04.05-91* рекомендуют на постоянных рабочих местах не использовать потоки лучистого тепла более 35 вт/м², а при величинах лучистого потока более 140 вт/м² (одна десятая от солнечной постоянной) применять воздушное душирование. Например, при облучении мощностью 1400 вт/м² при 28°С рекомендуется обдув персонала воздухом со скоростью 3 м/сек. Этот эффект душирования очень ценен в инфракрасных банях, поскольку позволяет реализовать значительные мощности излучения. При этом обдув воздухом препятствует длинноволновой составляющей излучения перегревать кожу, но не препятствует красной составляющей глубоко прогревать тело.

Поскольку мы обсуждаем роль высокотемпературных поверхностей в бане, отметим эффект, который зачастую неправильно называют в быту «выжиганием кислорода». Конечно, никакого «выжигания кислорода» ни металлические печи, ни электрические нагреватели не дают. Кислород вообще не может гореть, это в нем могут гореть горючие вещества. Дело в том, что в воздухе всегда присутствует пыль, в том числе и пылинки органического происхождения, которые могут сгорать в воздухе при соприкосновении с горячими раскаленными поверхностями. При этом возникают характерные запахи «раскаленного металла» или «горячего утюга». Запах особенно усиливается при выжигании слоя осевшей пыли во время длительного простоя печи. Сколько-нибудь заметного снижения содержания кислорода при этом не происходит ввиду малого количества пыли. Действительно, если в реакцию окисления вступит большое количество кислорода — это уже будет горение слоя пыли или воспламенение газовзвеси пыли. По существу это пожар или даже взрыв с повышением температуры воздушной среды за счет теплоты сгорания. Такое, конечно, может произойти, но только в том случае, если всю баню «задымить» плотной завесой горючей пыли (например, древесно-мучной), чего никогда не бывает. Запахи могут усиливаться или изменяться за счет использования в бане стиральных порошков, шампуней, заваров-настоек (попадающих на печь в виде брызг растворов или пылинок, смоченных раствором), веников, сена, смолы, листвы, дров, а также при соприкосновении горячих элементов печи с пахучими веществами или материалами, в том числе и теплоизолирующими.

Теперь перейдем к каменкам: нужны ли они, и если нужны, то для чего и какие у них должны быть параметры. Как мы оценили выше, каменка предельных, как мы считали, для нашей бани размеров 100 кг требует для своего нагрева от минус 20°С до 400°С (а это общепризнанная оптимальная температура каменок для русской и финской бань, хотя низ каменки может прогреваться и до 1000°С) примерно 6,5 кВт•час энергии. Естественно, после протопки бани такая каменка будет способствовать более длительному удержанию высокой температуры в бане (например, чтобы баня просохла). Однако учитывая, что баня теряет в час через стены 6 кВт•час, а сами стены запасли энергии порядка 15 кВт•час и более, трудно ожидать что влияние каменки даже таких крупных размеров будет определяющим. То есть на просушку бани такая каменка сильно не повлияет: при необходимости на практике проще бросить в печь после мытья пару поленьев, которые дадут столько же тепла, если не больше.

Но сколько же водяного пара может дать такая каменка? Исходя из скрытой теплоты испарения воды 0,63 кВт.час/кг получается около 7 кг пара. А нам надо на объем бани 30 м³ (исходя из максимальной абсолютной влажности 0,05кг/м³) около 1,5 кг пара, то есть такая каменка рассчитана на несколько солидных поддач пара. Возможен и такой случай: вы входите в баню, а там температура 40°С, слишком уж проветривали баню перед мойкой, к примеру. Тогда можно перевести всю энергию из 100 кг камней в воздух; причем быстро это можно сделать только одним способом — поддав воды на камни, например, постепенно все 7 литров кипятка, которые сможет испарить каменка. Тогда пар, конденсируясь в воздухе и на стенах, передаст все тепло камней в баню. Расчет показывает, что воздух в бане и стены нагреются при этом конденсатом с 40°С до 70—80°С (в бане с тонкой деревянной обшивкой по утеплителю). То есть каменка массой 100 кг способна сыграть роль мгновенного нагревателя, но ясно, что человеку в этом режиме при поддаче очень большого количества воды находиться в бане невозможно, придется выходить, пока не сконденсируются пары воды. При этом в бане будет очень высокая влажность стен, так как все 7 литров воды попадут на стены и даже внутрь их, и необходимы специальные меры по предотвращению их глубокого намокания и обеспечению высушивания. Все это крайне неудобно для садовой гигиенической бани и нежизнеспособно. Во всяком случае нам совершенно непонятны имеющиеся в серьезной литературе рекомендации использовать дачные каменки массой 60 кг в расчете на 1 м³ бани. Столь большие массы засыпок возможны лишь в черной бане или большой печи городской кирпичной бани для непрерывной суточной работы по обслуживанию сотен людей.

Вопрос о резком изменении климата в бане в момент поддач в литературе почему-то детально не обсуждается, хотя именно в поддачах кроется основное отличие русской бани от финской и турецкой. Дело в том, что цель поддачи не просто в повышении «жара» за счет повышения влажности воздуха, а в повышении абсолютной влажности до 0,05 кг/м³ и даже выше, что обеспечивает перевод тела человека не просто в режим потения, а в режим конденсации пара из воздуха на кожу. Вырывающийся из каменки водяной пар имеет температуру много выше 100°С. Если стены и пол бани были бы нагреты до температур 100°С и выше, то вырывающийся пар не мог бы конденсироваться, заполнял бы постепенно весь объем бани и вытеснил бы весь воздух: для этого в нашей бане объемом 30 м³ потребовалось бы испарить 17 литров воды. Но мы столько воды не испаряем, да и стены бани имеют температуру ниже 100°С. В таком случае пар, вырывающийся из каменки, начинает конденсироваться в воздухе отчасти в виде тумана, а в основной своей массе в виде росы на стенах, потолке, полах, полках, а также на теле человека, то есть на всех элементах с температурой ниже 100°С. Эта волна резко обжигающего жара сопровождается «пощипыванием» кожи и ручьями «пота» (который на самом деле оказывается горячей росой, конденсатом — дистиллированной водой, выпадающей из воздуха). Эта «волна жара» относительно быстро (за 10— 40 сек) спадает, и может случиться, что через 1—2 минуты баня становится вновь не очень жаркой (то есть баня «не держит пара»). Это означает, что весь пар сконденсировался на элементах с температурой ниже температуры кожи человека 40°С (на полах, нижних частях стен, на ведрах с холодной водой). Ну а если весь пар сконденсировался на стенах и потолке с температурой выше 40°С? Тогда вода на потолке начинает потихоньку вновь испаряться и потихоньку вновь конденсироваться на более холодную, чем потолок, кожу человека. Причем этот процесс не столь энергичен, как непосредственно при поддаче, но зато дает в бане умеренный жар с легкой конденсацией, что обеспечивает постоянное смачивание веника при ударах по «потеющей» коже. Важно, чтобы циркуляция (скорость кружения) воздуха в бане была низкая, а потолок был теплоемким, пористым и имел температуру от 40 до 80°С: чем выше температура, тем выше жар, но тем и быстрее высыхает потолок. Впрочем, увлажнение стен и потолка конденсацией пара из каменки можно заменить простым смачиванием (пульверизацией) капельной водой — эффект будет близким. Чтобы пояснить, как все это можно организовать на практике, опишем процедуру получения острого пара московскими татарами в некоторых городских банях в 1940—1960 гг. (может быть, и сейчас и не только в Москве). Татары по четвергам просили всех выйти из парной, тщательно ее проветривали (а на самом деле охлаждали), затем по мусульманским обычаям мыли (а на самом деле увлажняли) горячий потолок и стены горячей водой из шланга, окна закрывали, слегка поддавали по чуть-чуть на камни и разгоняли пар по потолку и стенам развернутой простыней, удерживаемой за углы, снова чуть-чуть поддавали и снова разгоняли, пока жар не становился невыносимым. Затем желающих просили входить, но таких оказывалось среди горожан мало, так как сразу выскакивали. Такой жар держался долго, пока не высохнет потолок: если циркуляция воздуха сильная и если потолок горячий, то высыхал быстро.

Посмотрим, как выглядит все это в цифрах. Разберемся при этом, как можно париться в бане с металлической печкой. В этом вопросе даже среди профессионалов царит полная растерянность: все учат, что мол надо знать, как, куда и сколько поддавать, но никто не знает, что же конкретно надо знать и что можно порекомендовать, тем более для получения никому не ведомого приятного «легкого пара».

Напомним, что париться означает прогреться в горячем воздухе с температурой выше 40°С при абсолютной влажности порядка 0,05 кг/м³. Теоретически вроде бы все ясно: надо просто-напросто испарить до 1,5 литров воды в парилке объемом 30 м³, причем количество испаряющейся воды не зависит от температуры в парилке. Для испарения 1,5 кг воды требуется около 3600 кДж энергии: кипятильник бытового типа мощностью 1 кВт даст столько тепла за 1 час, печь мощностью 20 кВт за три минуты, каменка мощностью 600 кВт за 6 секунд. Так что с получением пара проблем нет. Но представьте себе ситуацию, когда пар (а вернее, увлажненный воздух) из каменки подают сразу на холодный пол с температурой 20°С. Ясно, что пар в парилке в этом случае «не накопишь»: увлажненный воздух тотчас охладится до температуры пола и осушится до 0,017 кг/м³. Пар из каменки может быть направлен по разному: опахалом (веником), вентилятором, а также конвекцией (движением воздуха), обусловленной наличием раскаленной печи. При мощности 20 кВт металлическая печь, забирая воздух у пола с температурой 20°С, нагревает его до температуры 100°С и направляет его к потолку, создавая циркуляционный поток воздуха с расходом, как нетрудно посчитать, порядка 900 кг/час. А у нас в парилке всего-то на всего 30 кг воздуха. Это означает, что кратность циркуляции воздуха в парилке составляет 30 раз в час (30 крат). Весь воздух в парилке 30 раз в час проходит около печи, нагревается до 100°С, затем проходит по потолку, опускается у стен, проходит 30 раз мимо холодного пола, естественно охлаждается и осушается (или увлажняется) до 0,017 кг/м³ и попадает вновь на нагрев в калориферную систему печи. Иными словами, как ни увлажняй воздух кратковременными поддачами воды на каменку, все равно воздух через две минуты вновь станет сухим. Этот режим называется в России режимом современной сухой финской сауны, а саму баню с металлической печью называют в быту сауной в отличие от «русской» бани с кирпичной печью.

Сухой банный режим получился как бы сам собой, когда финн Харвия широко внедрил в банный быт мощные металлические печи. Это самый простой режим для металлических печей. Этот режим хорош тем, что никогда не бывает душно, никогда не бывает текущего по телу пота. Можно еще сильнее снизить влажность путем использования еще более холодных полов: если на полу тающий лед с температурой 0°С, то абсолютная влажность в сауне установится на уровне 0,005 кг/м³. Идеальный режим для спортсменов, желающих сбросить вес, причем тренированный человек легко переносит температуру до 200°С при абсолютной влажности ниже 0,01 кг/м³ (что соответствует относительной влажности ниже 2%). Пойдем еще дальше: раз воздух в процессе циркуляции (кружения) в бане все равно, проходя у пола, охлаждается, то будем его сбрасывать наружу и полностью заменять его на холодный свежий воздух снаружи. Это сразу снимет два вопроса: пол не будет намокать из-за выделения воды-конденсата (так как весь влажный воздух, в том числе увлажненный потом человека, удаляется наружу, может быть с образованием тумана — «клубов пара»), а воздух в бане не будет содержать вредные и пахучие примеси, столь характерные для обычной бани. Этот сухой банный режим с сильной вентиляцией лег в основу конструкций сухих квартирных саун, в которых не только не моются, но даже кафельный пол поддерживают сухим. Обычно финны рекомендуют кратность вентиляции саун 6 раз в час, что соответствует при нашем объеме бани скорости приточно-вытяжной вентиляции 180 кг/час. Величина очень большая, она соответствует теплопотерям на уровне 4—6 кВт, это плата за свежий сухой воздух в бане. Для ориентировки отметим, что горящая печь требует для своего горения воздуха до 100 кг/час при мощности до 20 кВт.

Баня с раскаленной металлической печью (сауна) предназначена в основном для получения именно сухого режима, при котором потовыделение сопровождается потоотделением, а не потением. Но можно получить и режим потения, и даже режим конденсации с влажностью более 0,05 кг/м³. Для этого потребуется мощная каменка со скоростью испарения 0,75 кг воды в минуту. Поддав на камни, надо сесть именно под нисходящий поток воздуха, и вы почувствуете кратковременную волну «жара». Непрерывное же увлажнение воздуха при сохранении сильной циркуляции воздуха в бане потребует огромных тепловых затрат на испарение больших количеств воды и, соответственно, мероприятий по удалению этой воды из бани. Например, при мощности печи 20 кВт и скорости циркуляции воздуха 900 кг/час для обеспечения влажности воздуха на уровне 0,05 кг/м³ понадобится испарять до 45 кг воды в час, что потребует дополнительной мощности порядка 28 кВт (и еще 5 кВт на нагрев воды до температуры кипения). Иными словами, рядом с печью надо поставить парогенератор большой мощности. Печь и парогенератор должны работать одновременно фактически в режиме конденсатора. Отметим, что именно этот бессмысленный с экономической точки зрения режим получения конденсационной бани использован финнами в процедуре сауна-спорта: через каждые 30 секунд на каменку подается 0,5 литра воды с получением 60 кг пара в час! И это при том, что для конденсационного режима в бане требуется всего лишь 1,5 кг пара.

Пойдем по другому пути, более пригодному для бытовых целей: будем снижать скорость циркуляции воздуха. Например, протопив баню, погасим металлическую печь. Раскаленной остается лишь каменка, дающая мощность тепловыделения до 2 кВт. При этом кратность циркуляции воздуха составит 3 раза в час (90 кг/час) то есть, поддав на камни, мы можем рассчитывать на длительность режима потения 10—20 минут. Больше нам и не надо. К сожалению, потоки воздуха в бане сохраняются, может быть не столь упорядоченные и высокоскоростные до 2 м/сек, что были при раскаленной печи, но вполне ощутимые до 1 м/сек не только от горячей каменки, но и от перемещений человека, вентиляции, открывания дверей. Кроме того, воздух осушается на коже человека, а также за счет диффузии паров воды в холодные зоны бани. Поэтому сразу же после поддачи воды необходимо непрерывно поддерживать достигнутую влажность, компенсируя потери воды из воздуха. Мощность парогенератора при этом составит 3 кВт при производительности по пару 4,5 кг/час. Это характерный режим для влажной сауны с открытой каменкой. Электрические парогенераторы такой мощности имеются в продаже. Хороший парогенератор не только испаряет (кипятит) воду, но и пропускает через нее воздух так, чтобы в парилку поступал не пар, а смесь пара с воздухом (то есть увлажненный воздух). Такой парогенератор правильней было бы назвать кондиционером и использовать не только для увлажнения воздуха, но и для нагрева помещения, как это, например, делается в квартирных пластиковых пародушевых кабинах. В то же время необходимый расход пара 4,5 кг/час является очень большим, на каменку надо подавать ежеминутно по 75 г воды. Так что для садовода такие постоянные увлажнения мощными каменками или дорогостоящими импортными парогенераторами не подходят.

Поэтому прикроем раскаленные камни (каменку) металлической, лучше утепленной, крышкой. Скорость циркуляции снизится еще в 10 раз, необходимая мощность парогенератора снизится до 0,3 кВт при производительности по пару 0,45 кг/час, то есть надо испарять три капли воды в секунду. Это режим паровой сауны, поскольку любое увлажнение воздуха уже не может быть уменьшено за счет столь малой циркуляции воздуха 0,3 крат, обеспечиваемой печью. Будучи увлажненной, такая сауна может быть осушена лишь опахалами (вениками), направляющими воздух к холодному полу (традиционная русская «посадка пара на пол»). Если пол теплый с температурой 40°С, то опахала (веники) могут осушить воздух лишь на теле человека с выделением «пота» — конденсата.

Естественно, подача вентиляции тотчас полностью нарушит влажную атмосферу в паровой сауне. А так как металлическая печь и сильная вентиляция являются настолько характерными чертами современной финской сауны, что без вентиляции сауну вообще не воспринимают, то во избежание путаницы в понятиях будем называть этот режим не влажной сауной, а русской паровой баней. Иными словами, если в сауне до предела снизить скорость циркуляции воздуха и скорость приточно-вытяжной вентиляции, то фактически получится русская паровая баня. В русской бане однократная поддача приводит к длительному влажному режиму с параметрами, близкими к хомотермальным, то есть с абсолютной влажностью порядка 0,05 кг/м³. Если же при поддаче влажность быстро снижается (баня «не держит пар»), то русская баня построена «неправильно», а точнее это не русская баня, а сауна.

Для русской бани характерна возможность длительного конденсационного режима с абсолютной влажностью выше 0,05 кг/м³, когда «пот течет ручьем». После однократной поддачи этот режим можно поддерживать многими методами, в том числе и парогенераторами (даже в виде самодельных кипятильников), но только не за счет потения человека (в этом и заключается «экзотичность» режима). Но традиционно русским парогенератором остается горячий влажный потолок. Пар направляют из каменки на потолок, где пар быстро конденсируется, а затем конденсат медленно испаряется, поддерживая высокую влажность в бане. Деревянный потолок может поглотить (в том числе и в гигроскопической форме, рис. 5) при температуре 60°С (нагреваясь до 100°С) до 1 кг воды на 1 м², отштукатуренный — до 2—3 кг на 1 м². А это значит, что увлажненный потолок площадью 10 м2 может теоретически поддерживать конденсационный режим до 2 часов (деревянный) и до 4 часов (оштукатуренный). В реальности эти времена гораздо меньше, причем быстро уменьшаются с уменьшением размеров бани как по причине уменьшения удельной влагоемкости потолка, так и за счет увеличения кратности циркуляции воздуха и повышения скорости массообмена в малых помещениях. Поэтому режим саун удобней реализовать в маленьких помещениях, а режим русской бани — в больших.

Мы рассматривали случай, когда первичный уровень абсолютной влажности 0,05 кг/м³ достигается однократной поддачей, а потом постоянным дополнительным увлажнением достигается длительное переувлажнение воздуха свыше 0,05 кг/м³ (длительный конденсационный режим «для веника»). Часто, однако, в русских банях используется и иной режим: увлажнением потолка и стен (в том числе просто водой, лучше пульверизованной) или мокрых тканевых материалов достигается постоянная влажность 0,05 кг/м³, а поддачами добиваются кратковременных волн нестерпимого жара.

Так или иначе, чтобы перевести сухую циркуляционную сауну в режим паровой бани надо:

• прогреть помещение, погасить металлическую печь,
• по возможности прикрыть камни крышкой (чтобы еще сильнее ограничить циркуляцию),
• исключить возможность приточно-вытяжной вентиляции (по крайней мере, не допускать уровней 6 крат, рекомендуемых финнами), прикрыть щели в дверях и окнах,
• смочить горячей водой все, что можно намочить (потолки, стены, пол), развесить (если можно) мокрые простыни повыше к потолку, температуру потолков желательно снизить до 50—70°С,
• легкими по 100—200 грамм поддачами воды на прикрытые камни, разгоняя пар по верхним частям стен и потолку, довести влажность до необходимого вам уровня,
• для парения необходимо движениями веника сверху вниз направить горячий влажный воздух с потолка к телу (можно даже не касаться тела), для хлестания (горячего расчесывания тела) повертеть веник у потолка, чтобы он нагрелся за счет конденсации пара, а затем ударить по телу,
• прогревшись и пропотев, проветрите помещение бани, открыв нараспашку дверь на улицу, после чего можете приступать к мойке.

Конечно, процедура русской парной бани особенно ценна при необходимости хорошенько прогреться после того, как сильно промерзли. На этот случай у вас всегда должны быть в запасе камни — набросайте их побольше на печь перед протопкой. Но русская парная баня является и хорошим способом отдыха и развлечения.

В белых банях кирпичные печи с закрытой каменкой, к сожалению, не способны дать мощную циркуляцию воздуха и мощный нагрев воздуха выше 2—3 кВт, не могут прогреть парилку до приличных температур даже за несколько часов. Даже будучи докрасна протоплены внутри, кирпичные печи после протопки долго «зреют», прогревая свои наружные стены от горячих внутренних. Лишь при наличии чугунных дверок топливника, дверок каменки или чугунной плиты температура воздуха в бане может быть повышена до 60°С. В этих условиях каменка незаменима и как средство подогрева помещения, и как средство исправления недостатков кирпичных печей. Пар при этом транжирится, но и транжирить можно с умом. Поддавая, пар надо направлять только вверх. Потолок при этом не только прогревается за счет конденсации пара, но и увлажняется. Получаем наверху паровой колпак из-за горячего влажного потолка и стен (парниковый эффект). Иногда говорят, что пар наверху «копится». Но мы-то знаем, что накопиться сверх плотности насыщенного пара он не может, так как неминуемо сконденсируется на потолке. Если у потолка воздух имеет точку росы порядка 40°С и выше, то это и называется русской паровой баней. Такая баня «держит пар», так как воздух даже при наличии циркуляции (хотя бы за счет движения человека) и потерь пара постоянно вновь увлажняется за счет испарений с горячих влажных потолков и стен. Вот в таких-то условиях без шапочки на голове может быть трудновато. Действительно, в отличие от сухой сауны в паровой бане волосы не сохнут (и поэтому не охлаждаются). В объеме волос при этом создается зона горячего влажного воздуха (как и у потолка бани), и пар имеет возможность моментально конденсироваться на рядом расположенную и относительно холодную (не выше 40°С) кожу человека, интенсивно нагревая ее вплоть до теплового удара. Если становится совсем уж душно и жарко (а пар при хороших поддачах так жжет, что легким его никак не назовешь), то применяют прием опускания пара: полотенцами или вениками пар гонят вниз к холодному полу, и тотчас духота из бани уходит, а «пар становится легким» (а на самом деле воздух просто-напросто осушается). Становится ясным, почему в русских банях применяют только периодическую вентиляцию, но никогда не делают постоянно действующую.

Мы рассмотрели два противоположных случая: влажную неподвижную «русскую» баню и сухую циркуляционную «финскую» сауну. В «русской» парилке жар должен стоять неподвижно, как знойное марево, а влажным должен быть не столько воздух, сколько потолок, причем он должен быть повыше и подальше от холодного пола. Испарения в такой бане идут сверху вниз, конденсируясь на полу, поэтому и все запахи конденсируются у пола. Такую баню при температуре выше 60—65°С (а в конденсационном режиме выше 50—55°С) не выдержать, но ее и не делают «русской» при высоких температурах бани. Ее делают «русской», когда баня холодная, когда ее прогреть печкой до высоких температур, к сожалению, невозможно, и жар в ней повышают за счет большой влажности. В этом смысле русская баня вплотную подходит по климатическим параметрам к турецкой бане влажного горячего типа — кальдарию. В финской же парилке температуры настолько высоки, что повышенная влажность воздуха не только не нужна, но даже создать ее не удается из-за циркуляции воздуха и быстрой просушки потолка. Но при циркуляции ниже 5—10 крат можно и поддать на камни. Сесть при этом надо именно у стены под нисходящую волну жара. Если при 80°С и относительной влажности 10% прохладно, то после поддачи посильнее относительную влажность 17% вам уже не выдержать, начнется конденсация.

Иногда удивляются, неужели простое изменение режима испарения пота из-за изменения влажности воздуха может мгновенно и очень сильно дать ощущение жара. Может быть при увлажнении воздух просто становится «горячей», а испарение пота и выделение конденсата здесь не причем? Нет. Воздух «горячей» не становится. Теплопроводность, теплоемкость и температура воздуха конечно изменяются, но несущественно.

В состоянии покоя на кожу человека из тела поступает до 50—100 вт тепла, при физической нагрузке — до 300—400 вт тепла. В турецкой бане на кожу человека из горячего неподвижного воздуха любой влажности поступает 0—200 вт тепла, в русской — 200— 400 вт, в финской — 400—600 вт. Обдувом горячим воздухом можно повысить указанные нагрузки в 2—3 раза. Инфракрасное излучение в бане достигает величин 1000 вт и выше. И все это тепло, поступающее на кожу, уходит на испарение пота — мощность охлаждения в режима потоотделения достигает 1500 вт. Отсюда видно, что если баня холодная, то разогреться можно и физическими упражнениями, что и делали в римских термах. Физическая нагрузка в русской бане (работа с веником) может вдвое повысить тепловую нагрузку на кожу. Но все эти цифры ничтожны по сравнению с теплоемкостью тела: чтобы нагреть тело человека на 1 градус надо 10—15 минут заниматься физической работой на пределе человеческих возможностей или 5—10 минут сидеть в супергорячей сауне (в обоих случаях в режиме потения, а режиме потоотделения еще в несколько раз дольше). И тем не менее, изменение теплового потока на кожу всего на 50 вт кожей ощущается за 2—3 секунды, что легко проверить, опустив ладонь на колено: через 2—3 секунды вы почувствуете в колене явное тепло, обусловленное выделением тепла из тела в состоянии покоя. Если же тепловой поток на кожу в десять раз больше (например, в сауне) и весь он снимается испарением пота, то мгновенное прекращение испарения ощущается как тепловой импульс мощностью 500 вт. Такая мощность, кстати, характерна не только переходам в режим потения, но и в режим конденсации: при обычных скоростях конденсации пара на тело 0,1—1 кг/час выделяющаяся мощность тепла конденсации составляет 70—700 вт. Такие мощности потоков тепла ощущаются кожей мгновенно, а выше 1000 вт в виде «покалываний, пощипываний». Действительно, лучистое тепло от печи мы чувствуем мгновенно.

Реальные русско-финские бани занимают промежуточное положение между «русской» и «финской». Действительно, ни в черной бане, ни в белой бане с открытой каменкой от циркуляции воздуха не избавиться, ее можно только уменьшить до определенного предела. Можно попытаться помешать циркулирующему воздуху достигать холодного пола и баков с холодной водой (установкой полок, дощатых щитов на полу). Но в любой бане в условиях длительной циркуляции воздуха удержать полы холодными не удается: они начнут нагреваться, особенно при мойке, и влажность воздуха полезет вверх так, что через час-второй в любой сауне впору будет париться по-русски (лишь бы полы были утепленными, да и вентиляция не работала). Можно и помочь полам нагреться: поставить вентилятор так, чтобы гнал горячий воздух от потолка к полу. Ну а потом, если плеснуть кипятком на прогретые полы, получится, хоть и ненадолго, турецкая баня. Кстати, горячий влажный потолок русской паровой бани фактически выполняет ту же роль, что и горячий влажный пол турецкой бани. Русская паровая баня — это перевернутая вверх ногами турецкая влажная баня.

Таким образом, реальные бани плавно переходят из одного режима в другой. Действительно, при протопке стремятся побыстрее прогреть помещение большой мощностью печи, которая передает свое тепло стенам за счет интенсивно циркулирующего воздуха. Постепенно прогреваются не только стены, но и полы. Если полы утеплены, специально не охлаждаются (например вентиляцией) или на них не стоят бачки с холодной водой, то их температура может достигать критического значения 40°С и выше, после чего какая-либо дальнейшая протопка лишается смысла. Печку гасят, циркуляция воздуха пропадает. Если во время протопки мы имели «финскую» баню, то после такой протопки — «русскую» или «турецкую» в зависимости от того, как вы увлажнили воздух. Если просто «надышите» или плеснете на теплый пол воду — будет «турецкая» баня. Если «плеснете» воду на горячий потолок или просто развесите наверху мокрые простыни или полотенца — «русская». Тут даже никакие камни не нужны. А если и нужны для «жара», то в очень небольшом количестве, только чтобы испарить 100—200 г воды.

Если вы не являетесь ярым любителем паровой бани, то в качестве каменки вполне можно взять всего 20 килограммов камней, да и то скорее для соблюдения ритуала и создания интерьера: ведь и в современных финских саунах каменная насыпка во многом обусловлена повышением эстетических свойств изделия и предотвращения выделения чрезмерного тепла с верхней поверхности металлической печи. Для эстетики ведь не положишь на верх элитной финской печи фарфоровые электроизоляторы, которые в основном используют наши дачники и садоводы в кирпичных печах—каменках. Отсюда и специальные изыскания финнов в области термостойких и действительно очень красивых натуральных и синтетических камней. Отметим, что бытующие в литературе заключения о невозможности использования вместо камней металлических чушек, якобы ввиду их малой теплоемкости, неверны. Металлические засыпки, в том числе коррозионностойкие, имеют много большую объемную теплоемкость и много большую теплопроводность, нежели каменные, и в принципе очень хороши для засыпок. Их даже широко использовали еще в далекие петровские времена (бани-чугунки, в том числе и с чугунными пушечными ядрами). Используют и ныне в быту, чаще вперемешку с камнями. Основным недостатком металлических засыпок является слишком интенсивное испарение воды с поверхности металла. Капельки воды, бегая по чушкам как на сковородке, отталкиваются паром  с горячей металлической поверхности и брызжутся, так что наряду со слишком мощной струей острого пара в лицо могут попасть и капельки кипятка. Поэтому от металлических чушек надо просто отгородиться (листом металла, каменной засыпкой) и поддавать воду осторожно, понемножку. То же самое относится и к металлическим поверхностям, например, верху печи, если вы прольете на него воду.

Мы все время говорили об энергетических параметрах, не затрагивая вопроса о продолжительности процессов нагрева различных элементов бани. Мы молчаливо предполагали, что раз печь отдала тепло, то тепло сразу же должно потребиться всей баней целиком. Но ведь ясно, что ведро с водой закипит на печи через один час, а на полу (или даже на полке у потолка) не закипит и через сутки. То есть тепло-то от печки в баню будет передано, причем в достаточном количестве для прогрева всех без исключения элементов бани, но одни элементы прогреются быстро и крайне чрезмерно, а другие не прогреются вовсе. В быту при постройке бань именно в этом вопросе делается особенно много ошибок. Например, руководствуясь некоторыми литературными рекомендациями, в том числе и финскими, устанавливают между металлической печью и скамейками или стеной бани кирпичную низенькую стенку. Рассуждают так: нагреется излучением стенка, будет дополнительно нагревать воздух внизу помещения. Нагреется она, конечно, но не так быстро (может быть через несколько часов или несколько суток) и, причем, только с одной стороны. Вторая сторона (тыльная от печки) может нагреться только воздухом, а он внизу помещения и так холодный. Так и остается она холодной, сколько ни топи. Наверху горячий воздух уже прогрел до предела все стены и потолок, тепло уже стало выходить через стены бани наружу на улицу, а стенка все создает холод у ног и к тому же намокает. Что это означает? А то, что мы направляем тепло не туда, где оно нужно. Надо или печку придвинуть к стенке, или стенку к печке, а еще лучше тыльную сторону стенки утеплить (обшить доской) или кирпичную стенку вообще снести и поставить вместо нее металлический лист, или даже металлический лист не устанавливать вовсе. Аналогичная картина, но еще более критическая, возникает при использовании высоких кирпичных печей, кирпичных труб или при обкладке кирпичом всей стены у печи до потолка, причем по наивности порой между кирпичом и стеной бани специально «для тепла» оставляют открытый вентилируемый зазор, который в действительности никогда не прогревается. Коэффициент теплопередачи от горячего воздуха к стенке невелик, приемлемый уровень теплопередачи для быстрого нагрева кирпича достигался бы при температуре воздуха несколько сот градусов, как например, в топке печи. А температура воздуха 100°С не обеспечивает нагрев кирпича за приемлемые времена. Так что получается такая картина: топишь — жарко, температура воздуха у потолка 100°С; кончил топить — моментально за секунды температура в бане снижается до 20—30°С (а то и ниже, особенно зимой) за счет охлаждения воздуха холодным кирпичным верхом печи.

Принцип правильного построения бани — пусть длительный, но одновременный нагрев всех элементов бани до необходимой температуры. Что перегревается — убрать подальше от печки, что недогревается (например, бак с холодной водой на полу) — либо придвинуть поближе к печке, либо убрать вовсе. Но, к сожалению, многие так и не хотят понимать этих недостатков своей бани, страдают, мучаются, но ничего не переделывают. Тут уж ничего не поделаешь.


Выводы:

Для быстрой протопки баня (даже деревянная любой толщины) должна быть в обязательном порядке утеплена изнутри эффективными утеплителями типа минеральной ваты толщиной не менее 40 мм с облицовкой тонкой вагонкой, тонкой сталью или тонким термостойким пластиком.

Обогрев бани должен осуществляться стальной печью с тепловой мощностью не менее 20 кВт (то есть печь должна быть способна сжечь 10 кг дров в режиме максимального горения). Печь должна быть в обязательном порядке огорожена металлическими экранами для уменьшения уровня инфракрасного излучения.

Холодная вода в бане допускается в минимальных количествах, доставлять ее в баню желательно по мере возникновения надобности. Кирпич и каменные материалы в бане должны быть исключены полностью. При необходимости допускается  использовать кирпич для футеровки печи изнутри, а также применять каменные засыпки для организации поддач пара. Приточно-вытяжная вентиляция должна быть уменьшена до минимума, но необходимо предусмотреть возможность залпового полного проветривания бани.

Источник: Сауна. Гигиеническая баня для дачника и садовода. Хошев Ю.М. 2003

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)